JPS60239084A - 半導体レ−ザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は半導体レー＋！特に大光出力半導体レーザに関
するものである。

（従来技術とその問題点） ＡＩ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ　等の結晶材料を用いた半導
体レーザは小型であり、低消費電力で高効率の室温連続
発振を行う事ができるので、元方式のディジタル・オー
ディオ・ディスク（ＤＡＤ）　用光源として最適であり
、実用化されつつある。この半導体レーザは光ディスク
等の光書きこみ用光源としての需要も高まり、この要求
をみたすため大光出力発根に耐えうる半導体レーザの研
究開発が進められている。

特に最近ではこれらの可視光半導体レーザの需要の急速
な高まりに対応するため天童生産が行われるようになっ
てきた。　ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　半導体レーザの製
法においては従来から液相成長法が用いられてきた。こ
れに対して有機金属を用いた気相成長法（Ｍｅｔａｌｏ
ｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ（２） Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　、略してＭＯＣＶＤ）は量産性
と精密膜厚制御性とを兼ね備えていることから、今や光
デバイス作製のためのきわめて重要な技術の一つとなっ
ている。特にディピュス（ＲｌＤ、Ｄｕｐｕｉｓ　）と
ダビカス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕｓ　）とがアプライド・
フィジックスｅレターズ誌（Ａｐｐｌ　ｉｅｄ　ｐｈｙ
ｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）　１９７７年３１巻４７４６
６頁から４６８頁にＭＯＣＶＤ法で成長した半導体レー
ザが室温発振した事を発表して以来その実用性が着目さ
れ、ＭＯＣＶＤ法を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　可
視光半導体レーザの研究が進められるようになった。中
でも横モード制御した波長λ＝０．７８μｍ　のＡＩ　
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ　可視光半導体レーザ素子としては
、例えば中球、小野、梶村、中村により第４４回応用物
理学会学術講演会講演予稿集１９８３年１０９頁２６　
ｐ−Ｆｌ−１６Ｊｊ　「ＭＯｃＶＤ法１１ニル横モー　
１’制御半導体レーザ」と題して発表された論文に代表
されるようをこ、活性層に隣近してストライプ状領域の
両側に吸収層を設け、活性層からの光のしみ出しをこの
吸収層で吸収し損失領域となし、吸収（３） 層のないストライプ状領域との間に利得−損失のステッ
プを設けて、横モード制御を行おうとするものが提案さ
れ試作されている。

しかし上記構造では光出力５〜７ｍＷまでしか基本横モ
ード発振しない事、利得−損失のステップを設けるため
吸収領域を内蔵しているが、この吸収領域では光が損失
となるために閾値電流が高くなる事、発光ビームが非対
称である事等の欠点を持ち、ＤＡＤ用光源として実用的
でないばかりか大光出力発振は不可能であった。

また最近ＭＯＣＶＤ法を用いて製作した高性能な波長λ
＝　０．８８　ｔｔｍのＡｕＧａ＆ｓ／Ｇａｐｓ半導体
レーザが、ウォング（Ｃ，８，１（ｏｎｇ　）、カセム
セット（Ｄ、Ｋａｓｅｍｓｅｔ　）　、キム（Ｍ、Ｅ　
、　Ｋｉｍ　）　、ミラノ（Ｒ，Ａ６Ｍｉ　Ｉａｎｏ　
）　によってエレクトロニクス−＋Ｃ−Ｅ レターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　
１９８３年１９巻Ａ１９　、７５９頁から７６０頁に発
表されている。

これは活性層をクラッド層ではさんだ結晶を形成し、こ
れをメサ状にエツチングした後全体を絶縁性クラッド層
で埋込んだ構造をしており、低閾値（４） で高効率のレーザ発振を行っている。しかし最大基本横
モード発振光出力は８ｍＷで大光出力発振は不可能であ
り、また活性層水平横方向の広がり角は比較的大きい結
果を示しているが、それ以上に活性層垂直方向の広がり
角は太きいと推定され発光ビームが非対称になる等の欠
点をもっていた。

（発明の目的） 本発明の目的は上記欠点を除去しＭＯＣＶＤ法の特長を
充分にいかして、低閾値、高効率のレーザ発振をするの
みならず、安定な基本横モード発振による大光出力発振
が可能であり５等心円的な光源となり、比較的容易に裏
作でき、再現性および信頼性の上ですぐれた半導体レー
ザを提供する事にある。

（発明の構成） 本発明の半導体レーザの構成は、管内波長の数倍以下の
層厚を有する活性層を該活性層と同一程度の層厚を有し
、該活性層よりもバンドギャップの広い材質からなる第
１および第２のクラッド層ではさんだダブルへテロ接合
構造を、該第４およ（５） び第２のクラッド層よりも屈折率が大きく該活性層より
も屈折率の小さい材質からなる第１と第２とのガイド層
ではさんだ積層構造を具備し、該層構造が凸状ストライ
プ形状を具備し、該第１および第２のクラッド層よりも
屈折率が小さく該第１および第２のクラッド層よりも屈
折率が大きい材質で、かつ、電気的に絶縁性を有する第
３のガイド層を、該凸状に隣接し該凸状の形状に沿って
一様な層厚になるように設けると共に該凸状の領域にス
トライプ状のキャリア注入領域を具備した事を特徴とす
る。

（実施例） 以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図は本発明の実
施例の断面図、第３図および第４図はこの実施例の製造
途中の側面図および断面図である。

この実施例の製造方法は第３図に示すように（１００）
面を平面とするｎ形ＧａＡｓ基板１０上ニｎ形Ａｌ　Ｇ
、：１８０ａ　Ｏ，６２Ａｓ第３クラッド層１１をＱ、
５１１ｍ。

ｎ形Ａ　ｌ　（１，２５Ｇａ　ｏ、７５　Ａｓ　第１ガ
イド層１２をｌ、Ｑ　ｐｔｎ、（６） ｎ形Ａｌ　ｏ、５　Ｇａ　Ｏ，５Ａｓ第１クラッド層１
３を０．０５μｍ、アンドープＡｌ　ｏ、１５　Ｇａ　
ｏ、ｓｓ　Ａｓ活性層１４を０．０４μｍ、ｐ形Ａ　Ｉ
　。、５　Ｇａ　Ｏ，５Ａｓ第２クラッド層１５をＱ、
９５μｍ、ｐ形Ａｌ　ｏ２５　Ｇａ　Ｏ，７５Ａｓ第２
ガイド層１６を１．０μｍ。

ｐ形λｌ　ｏ、３Ｂ　Ｇａ　（１，６２Ａｓ第４クラッ
ド層１７を９．５μｍ、ｐ形ＧａＡｓキー？ツブ層Ｉ８
を０．５μｍ、ＭＯＣＶＤ法で連続成長する。

上記成長において、従来から行われている液相成長法は
各成長層ごとに各組成を制御したメルトを用意し、基板
を移動して、各層を成長していく方法であるため本発明
の如き多層構造の成長はきわめて困難であるばかりでな
く各組成および各層厚を制御する事は不可能である。こ
れに対してＭＯＣＶＤ法は有機金属を用いた気相成長法
であるので、混合ガスの組成を変化させる事で任意の組
成の層を任意の多層−ご容易に成長させる事ができるの
で、本発明の構造の成長を制御よく行う事ができる。更
にＭＯＣＶＤ法では薄膜成長が可能であり、かつ精密な
膜厚制御性を兼ね備えているので上記の如き層厚の薄い
第１クラツド層１３．活（７） 性層１４．第２クラッド層１５を層厚の制御よく成長す
る事ができる。

次にＳｉｎ、膜１９で全体を被膜した後、フォトレジス
ト法およびエツチング法により、共撮器の長で方向に幅
３μｍのストライプ状に８ｉＱ、膜を残してその外部に
窓をあけ、深さ４μｍエツチングし、ｎＧａＡｓ基板１
０上に多層成長層からなる凸状領域２０を形成する（第
４図）。その後ｓｉｏ、膜１９を除去した後、絶縁性Ａ
　Ｉ　（１，３Ｇａ　６７　Ａｓ　第３クラッド層２１
を１．０μｆ′ｎＭＯＣｖＤ法で成長させる。

上記成長において、ＭＯＣＶＤ法では各組成の粒子が結
合しながら成長していくので成長の面方位依存性はなく
、どの方向にも一様な厚さで成長する。従って本発明の
構造の凸状の領域では凸部の形状に沿って一様な層厚に
第３クラッド層２１が成長する。またＭＯＣＶＤ法は気
相成長法の一つであるので、第３クラッド層を成長する
際に微量の酸素ガスを混合させる事により容易に絶縁性
第３クラッド層２１を形成する事ができる。なお第３ク
ラッド層２１を成長する直前に、ＭＣＩ　等のガス（８
） で凸状領域の表面を微量にガスエッチすると成長素子の
再現性、信頼性を一段と向上させる事ができる。

次に成長表面をＳｉｎ、膜で被膜した後フォトレジスト
法およびエツチング法により凸状領域の上に幅２．５μ
ｍの窓をあけ、亜鉛を拡散する（亜鉛拡散領域２２）。

この時亜鉛拡散フロントはｐ形ＧａＡｓキャップ層１８
に達する様に制御する。その後８ｉ０．膜を除去し、成
長表面側にｐ形オーミックコンタクトｎ、基板側にｎ形
オーミックコンタクト２４をそれぞれつけると本発明の
構造の半導体レーザを得る事ができる（第１図、第２図
）。

（発明の作用φ効果） 本発明の構造において、全面電極から注入される電流は
絶縁性第３クラッド層２１に亜鉛拡散する事によってｐ
形に変換して形成したストライプ状キャリア注入領域か
らｐ形ＧａＡｓキャップ層１８に流れこむ。本発明の構
造において凸状領域は絶縁性第３クラッド層２１におお
われているので注入電流は漏れることなく、すべて活性
層内に注入され（９） る。従って低励起レベルで利得分布が形成されレーザ発
振を開始する０本発明の構造では漏れによる無効電流は
ないので低閾値、高効率のレーザ発振をする。

本発明の構造では活性層厚が管内波長の２〜３倍以下と
きわめて薄いためにレーザ発振時には光は活性層から垂
直方向に広く広がる。更に本発明の構造では活性層は層
厚の薄い第１．第２のクラッド層につづいて第１．第２
のガイド層ではさみこまれているために光は屈折率の比
較的大きい第１、第２のガイド層にひきこまれて活性層
を中心として垂直方向に大きく広がる。特に本発明の実
施例の如く第１クラッド層と第２クラッド層との層厚が
等しく、また第１ガイド層と第２ガイド層との層厚が等
しい場合には、垂直方向において活性層を中心に各層の
組成および層厚は対称となるので光の広がりはより助長
される。

また一方、活性層水平横方向は絶縁性第３ガイド層では
さみこまれている。活性層の光は水平横方向では屈折率
の高い活性層に集光し、正の屈折（ｌＯ） 率分布にもとづく正の屈折率ガイディング機構が作りつ
けられている。一般に活性層の両端が屈折率の低いクラ
ッド層ではさみこまれている場合には正の屈折率分布が
大きくなりすぎ、その結果−次横モード発振が低励起レ
ベルで生じるのでこれを抑圧するために活性層の幅を狭
く限定する必要がある。従ってスポットサイズが狭くな
り、火元出力発振は不可能である。これに対して本発明
の構造では活性層両端は屈折率の比較的大きい第３ガイ
ド層２１ではさまれており、このガイド層と活性層との
屈折率差は比較的小さいので活性層水平横方向に作りつ
けられる正の屈折率分亜の高さは適切な大きさになり、
活性層幅が〜３μｍ程度と広くしても安定な基本横モー
ド発振を広範囲にわたる電流注入領域で維持する事がで
きる。

本発明の構造では上記したように活性層垂直方向への光
のしみ出しが大きく、活性層内での光の閉込め係数（ｆ
ｉｌｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　）が小さいのでレーザ発
振をさせるには多量の注入キャリアが必要となる。この
ような場合一般には活性層から活性層（１１） に隣接した層へキャリアが漏れ出やすくなり、その結果
閾値電流が上昇するおそれがある。これｌこ対し、本発
明の構造では活性層は特にバンドギャップの広い第１と
第２のクラッド層ではさみこまれているので注入キャリ
アは漏れ出る事なく活性層内に閉込められて有効に再結
合をするため、比較的低閾値でレーザ発振を開始する。

更に活性層がバンドギャップの広いクラッド層ではさみ
こまれている本発明の構造では温度を上昇しても活性層
から垂直方向に漏れ出るキャリアの量を低減する事がで
きるので、高温動作Ｃども耐えつる事ができ、素子の信
頼性を向上する事ができる。

本発明の様に活性層からの光のしみ出しを大きくして活
性層垂直方向の光の閉込め係数を小さくする事は大光出
力レーザ発振の上で著しい効果を持つ。通常の人Ｉ　Ｇ
ａＡｓ／Ｇａｐｓ　半導体レーザを大光出力レーザ発振
させると反射面が破壊される現象が生じる。この現象は
光学損傷として古くから知られており、そのレベルはＣ
Ｗレーザ発振では（１２） 〜ＩＭＷ／ＣｒｒＬ２で生じる。通常ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ半導体レーザの反射面破壊の生じる光出力ｐＭは
活性層の層厚をｄ、光の閉込め係数をＦ、横モードのス
ポットサイズを勤とすると となり、ｐＭはＩ゛に反比例して上昇する。本発明の構
造を用いればｒ≦０．１１こなり片面からの最大光　・
出力ｐＷ≧ｌｏｏｍＷが可能となり大光出力レーザ発振
が可能になる。一般に大光出力レーザ発振可能なレーザ
において大光出力レーザ発振を行うと光出力の放出に伴
ってキャリア分布に空間的なホールバーニングが生じ、
−欠損モードの利得が上昇し一欠損モード発振が生じる
。これに対してＢＨレーザではストライプ幅をキャリア
拡散長程度にしておけば空間的なホールバーニングは生
じにくくなるが前記したウオング（Ｃ０Ｂ、Ｈｏｎｇ）
等のＢＨ槽構造は屈折率分布が大きいために一欠損モー
ドの利得がわずかなホールバーニングによって上昇し基
本横モード発振を保つ事は困難である。

（１３） これに対して本発明の構造ではＢＨ槽構造あるばかりで
なく活性層水平横方向に形成される屈折率分布は比較的
小さいために一欠損モードの利得の上昇はゆるやかであ
り、大光出力レーザ発振領域にわたって安定な基本横モ
ード発振を維持する事ができる。

本発明の様に活性層からの光のしみ出しを大きくする事
は活性層垂直方向の広がり角牡を急激に減少させる事が
できる。特に本実施例の如く活性層垂直方向において活
性層をはさみこんだクラッド層およびガイド層の組成お
よび層厚を等しくすれば光は活性層を中心として垂直方
向に広く対称的に広げる事ができる。その結果、本実施
例を用いればθ１≦１５度にする事ができる。これに対
して活性層水平横方向では正の屈折率ガイディング機構
が作りつけであるので横モードのスポットサイズを狭く
して活性層水平横方向の広がり角θＭを０７−１２〜１
５度にする事ができる。従って一＝θ／よとなり等心円
的な光源を得る事ができ、実用に際して外部の光学系と
のカップリング効率を著（１４） しく上昇させる事ができる。

以上の様に本発明の構造は、ウォング（Ｃ０Ｓ。

Ｈｏｎｇ　）　、カセムセ、３１ト（Ｄ、Ｋａｓｅｍｓ
ｅｔ　）、キム（Ｍ、Ｅ、Ｋｉｍ）、ミラノ（Ｒ，Ａｏ
Ｍｉｌａｎｏ　）　ニ、Ｊ：ッてエレクトロニクスΦレ
ターズ誌（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　）
　１９８３年１９巻／１６１９７５９頁から７６０頁に
発表されたレーザとは全くことなり、基本横モードレー
ザ発振を維持した状態で大光出力レーザ発振が可能であ
り、発光ビームも等心円形に近い等のすぐれたレーザ発
振特性を有している。更に全面電極を用いる等製造方法
も比較的やさしくＭＯＣＶＤ法特有の層厚の制御性の良
い利点をいかして再現性よく作る事ができる。また全面
電極である事をいかして、通常のレーザの如く基板と反
対側の成長表面側をヒートシンクに融着する方法ではな
く、基板側をヒートシンクにつけてストレス等を緩和し
素子の信頼性を上げる事ができる。

特に本発明の構造ではｐ側電極に電流を注入するために
つけるリードボンドは凸状の成長層領域外部の平坦な表
面上のｐ形電極につける事ができる。

（１５） 以上のように、実施例はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ダブ
ルへテロ接合結晶材料について説明したが、他の結晶材
料例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　、　ＩｎＧａＰ／Ａ
ＩＩｎＰ。

ＩｎＧａＡｓＥ’／ＩｎＧａＰ　、　ＡｌＧａＡｓ８ｂ
／ＧａＡｓ８ｂ　等数多くの結晶材料に適用する事がで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図、第２図は第１図の断面
図、第３図はこの実施例の作製の過程においてダブルへ
テロ接合多層構造を基板上に形成した時の側面図、第４
図はこの実施例の作製の過程において凸状領域を形成し
た時の断面図である。 図において、ＩＱ・ｎ形ＧａＡｓ基板、１１−ｎ形Ａｌ
　６３ｇＧａ　（１，６２Ａｓ第３クラッド層、１２・
ｎ形Ａｌ　６，２５　Ｇ　ａ　６７５Ａｓ第１ガイド層
、１３・ｎ形Ａｌ　６．ｓ　Ｇ　ａ　６，５Ａｓ第１ク
ラッド層、　１４・・・アンドープＡｌ　（１，１５Ｇ
ａ　６Ｂ５　Ａｓ活性層。 １５−１）形Ａｌ　（＋、５　Ｇａ　Ｑ、ＫＡｓ第２ク
ラッド層、１６・・−ｐ形Ａｌ　（１，２５Ｇａ　Ｏ，
７５Ａｓ第２ガイド層、１７−ｆ）形Ａ１ｇ３６Ｇａ　
ｏ、６２　Ａｓ第４クラッド層、１Ｂ−ｐ形ＧａＡｓキ
ーｙツブ層、１９・・・８ｉ０．膜、２０・・・凸状領
域、２１・・・絶縁性（１６） 人１６，３０ａ　（Ｌ７　Ａｓ第３ガイド層、２２−・
・亜鉛拡散領域、ｎ、・、ｐ形オーミックコンタクト、
２４・・・ｎ形オーミックコンタクトである。 （１７） 多　４　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 管内波長の数倍以下の層厚を有する活性層を該活性層と
   同一程度の層厚を有し、該活性層よりもバンドギャップ
   の広い材質からなる第１と第２のクラッド層で挾み込ん
   だダブルへテロ接合構造を該第１および第２のクラッド
   層よりも屈折率が大きく該活性層よりも屈折率の小さい
   材質からなる第１と第２とのガイド層ではさんだ積層構
   造を具備し、該積層構造が凸状ストライプ形状を具備し
   、該第１および第２のクラッド層よりも屈折率が小さく
   該第１および第２のクラッド層よりも屈折率が大きい材
   質で、かつ、電気的に絶縁性を有する第３のガイド層を
   、該凸状に隣接し、該凸状の形状に沿って、一様な層厚
   になるように設けると共に該凸状の領域にストライプ状
   のキャリア注入領域を具備した事を特徴とする半導体レ
   ーザ。 （１）